Warum erscheinen die meisten Metalle silberfarben, mit Ausnahme von Gold?

Es ist nicht verwunderlich, dass die Antwort auf diese Frage stark von der Quantentheorie abhängt, aber die meisten Menschen werden überrascht sein zu hören, dass die vollständige Antwort relativistische Überlegungen ins Bild bringt. Wir sprechen also von quantenrelativistischen Effekten.

Das Quantenbit der Geschichte sagt uns, dass die Farbe von Metallen wie Silber und Gold eine direkte Folge der Absorption von Photonen durch d-Elektronen ist. Diese Photonenabsorption führt dazu, dass d-Elektronen zu s-Orbitalen springen. Typischerweise und sicherlich für Silber weist der 4d → 5s-Übergang eine große Energietrennung auf, die ultraviolette Photonen erfordert, um den Übergang zu ermöglichen. Daher haben Photonen mit Frequenzen im sichtbaren Band nicht genügend Energie, um absorbiert zu werden. Wenn alle sichtbaren Frequenzen reflektiert werden, hat Silber keine eigene Farbe: Es reflektiert, ein Erscheinungsbild, das wir als „silbrig“ bezeichnen.

Nun das relativistische Bit. Es ist wichtig zu wissen, dass Elektronen in den s-Orbitalen eine viel höhere Wahrscheinlichkeit haben, sich in der Nähe des Kerns zu befinden. Klassischerweise bedeutet die Nähe zum Kern höhere Geschwindigkeiten (siehe Geschwindigkeit der inneren Planeten im Sonnensystem mit der der äußeren Planeten).

Für Gold (mit der Ordnungszahl 79 und damit einem hoch geladenen Kern) führt dieses klassische Bild zu relativistischen Geschwindigkeiten für Elektronen in s-Orbitalen. Infolgedessen gilt eine relativistische Kontraktion für die s-Orbitale von Gold, wodurch sich ihre Energieniveaus näher an die der d-Orbitale verschieben (die vom Kern entfernt sind und klassisch gesehen geringere Geschwindigkeiten aufweisen und daher weniger von der Relativitätstheorie betroffen sind). . Dies verschiebt die Lichtabsorption (für Gold hauptsächlich aufgrund des 5d → 6s-Übergangs) vom ultravioletten in den niederfrequenten blauen Bereich. Gold neigt also dazu, blaues Licht zu absorbieren, während es den Rest des sichtbaren Spektrums reflektiert. Dies verursacht den gelblichen Farbton, den wir "golden" nennen.

Reflexionsvermögen als Funktion der Wellenlänge. Lila / blaues Licht entspricht 400 - 500 nm, das rote Ende des sichtbaren Spektrums etwa 700 nm.

Siehe: die Farbe von Gold, relativistische Quantenchemie.

D-Elektronen in Metallen ermöglichen optische Übergänge im sichtbaren Bereich. Sichtbares Licht kann von Elementen mit ungebundenen Valenzelektronen in der d-Schale absorbiert werden. Also

Chemie: optischer d-> s $ ^ 2 $ -Übergang

• Eisen [Ar] 3d $ ^ 6 $ 4s $ ^ 2 $
• Zinn [Kr] 4d $ ^ {10} $ 5s $ ^ 2 $ 5p (volle d Schale)
• Aluminium [Ne] 3s $ ^ 2 $ 3p $ ^ 1 $ (ist ein Sonderfall: keine d-Valenzelektronen, aber Aluminiumreflexionsvermögen. Ich habe keine andere Erklärung als die Berechnung von Fresnel-Gleichungen. Ich kann den Grund jedoch nicht verstehen für diese Unterscheidung.)
• Blei [Xe] 4f $ ^ {14} $ 5d $ ^ {10} $ 6s $ ^ 2 $ 6p $ ^ 2 $ (volle d-Shell)
• Zink [Ar] 3d $ ^ {10} $ 4s $ ^ 2 $ (volle d Schale)
• Wolfram [Xe] 4f $ ^ {14} $ 5d $ ^ 4 $ 6s $ ^ 2 $
• Nickel [Ar] 4s $ ^ 2 $ 3d $ ^ 8 $ oder 4s $ ^ 2 $ 3d $ ^ 9 $
• Kupfer [Ar] 3 $ d ^ {10 } $ 4 $ \ mathbf {s ^ 1} $ (eine s und volle d Shell)
• Gold [Xe] 4f $ ^ {14} $ 5d $ ^ {10} $ 6 $ \ mathbf { s ^ 1} $ (eine s und eine volle d-Schale)

Die glänzenden Metalle außer Aluminium haben d-Elektronen. Ein einzelnes s-Elektron und eine vollständige d-Schale deuten auf einen wichtigen Orbitalübergang von d zu s $ ^ 2 $ im sichtbaren Spektrum hin. Eine Vollschale ist energetisch bevorzugt. Es scheint keine Erklärung für das farbige Erscheinungsbild von Gold und Kupfer zu geben, außer einer charakteristischen Elektronenkonfiguration - zumindest liefert die Chemie keine Antwort.

Physik: Vorzeichenwechsel von $ \ epsilon (\ lambda) $ in der Nähe von Blau

Wenn das absorbierte Licht für das gesamte sichtbare Spektrum erneut emittiert (tatsächlich reflektiert) wird erscheint das Metall als Spiegel glänzend. Tatsächlich bestehen unsere Badezimmerspiegel aus einem mit Aluminiumrückseite beschichteten Glas.

Hier muss die Physik mehr erklären als nur "Gibt es ein Valenzelektron?". Ein zweiter physikalischer Grund beschreibt seinen Ursprung nicht: Reflektivität aus den Fresnel-Gleichungen unter Verwendung von $$ n = \ sqrt {\ epsilon_r \ cdot \ mu_r} \ qquad \ text {with} \ qquad \ epsilon_r = 1- \ frac {n_e e ^ 2} {\ epsilon_0m \ omega ^ 2} \ qquad \ text {mit einem Vorzeichenwechsel bei} \ qquad \ omega = \ omega_p $$

aus Das Drude-Freie-Elektronen-Gas-Modell für Elektronen (und die Dichte der Elektronen $ n_e $) ist für diese Metalle im gesamten sichtbaren Spektrum hoch. Dieser Vorzeichenwechsel bei $ \ omega = \ omega_p $, Plasmafrequenz ist der Grund für eine Änderung von $ \ epsilon_r $, daher ein sich ändernder Brechungsindex $ n $ aufgrund der Fresnel-Gleichungen, ein sich änderndes Reflexionsvermögen. Wenn diese Änderung zufällig im sichtbaren Spektrum liegt, gibt es farbige Reflexionen wie Gold. Die blaue Absorption von Gold erfolgt, da für dieses schwere Element eine spezielle Relativitätstheorie berücksichtigt werden muss. Siehe obere Antwort. Kupfer und Gold haben kein hohes Reflexionsvermögen für Blau ($ \ ca. 475 \, $ nm).

Entnommen aus http://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html

"Die Farbe von Metallen kann durch die Bandentheorie erklärt werden, die diese Überlappung voraussetzt Energieniveaus bilden Banden.

In metallischen Substanzen können sich leere Leitungsbänder mit Valenzbändern überlappen, die Elektronen enthalten. Die Elektronen eines bestimmten Atoms können sich mit wenig oder keiner zusätzlichen Energie in einen höheren Zustand bewegen Die äußeren Elektronen sollen "frei" und bereit sein, sich in Gegenwart eines elektrischen Feldes zu bewegen.

Das höchste Energieniveau, das von Elektronen eingenommen wird, wird als Fermi-Energie, Fermi-Niveau oder Fermi-Oberfläche bezeichnet

Oberhalb des Fermi-Niveaus sind die Energieniveaus leer (leer bei absolutem Nullpunkt) und können angeregte Elektronen aufnehmen. Die Oberfläche eines Metalls kann alle Wellenlängen des einfallenden Lichts absorbieren und angeregte Elektronen springen zu einem höheren Wert unbesetztes Energieniveau Diese Elektronen können genauso gut (nach kurzer Zeit) auf das ursprüngliche Energieniveau fallen und ein Lichtphoton derselben Welle emittieren ength.

Der größte Teil des einfallenden Lichts wird also sofort an der Oberfläche wieder emittiert, wodurch der metallische Glanz entsteht, den wir in Gold, Silber, Kupfer und anderen Metallen sehen. Aus diesem Grund sind die meisten Metalle weiß oder silberfarben, und eine glatte Oberfläche reflektiert stark, da das Licht nicht tief eindringen kann.

Wenn die Effizienz der Absorption und Reemission gleich ist ungefähr gleich bei allen optischen Energien, dann werden alle verschiedenen Farben in weißem Licht gleich gut reflektiert. Dies führt zur silbernen Farbe von polierten Eisen- und Silberoberflächen.

Bei den meisten Metallen erstreckt sich ein einzelnes kontinuierliches Band von Valenzenergien zu „freien“ Energien. Die verfügbaren Elektronen füllen die Bandstruktur bis zum Niveau der Fermi-Oberfläche.

Wenn der Wirkungsgrad mit zunehmender Energie abnimmt, wie dies bei Gold und Kupfer der Fall ist, verringert sich das Reflexionsvermögen am blauen Ende von Das Spektrum erzeugt gelbe und rötliche Farben.

Silber, Gold und Kupfer haben ähnliche Elektronenkonfigurationen, aber wir nehmen an, dass sie ganz unterschiedliche Farben haben .

Gold erfüllt alle Anforderungen für eine intensive Lichtabsorption mit einer Energie von 2,3 eV (vom 3D-Band bis über das Fermi-Niveau). Die Farbe, die wir sehen, ist gelb, da die entsprechenden Wellenlängen erneut emittiert werden.

Kupfer hat eine starke Absorption bei etwas geringerer Energie, wobei Orange am stärksten absorbiert und wieder emittiert wird.

Silber . Der Absorptionspeak liegt im ultravioletten Bereich bei etwa 4 eV. Infolgedessen behält Silber ein hohes Reflexionsvermögen gleichmäßig über das sichtbare Spektrum bei, und wir sehen es als reines Weiß. Die niedrigeren Energien, die dem gesamten sichtbaren Farbspektrum entsprechen, werden gleichermaßen absorbiert und wieder emittiert, was Silber zu einer guten Wahl für Spiegeloberflächen macht.

Diese Frage hat einen weiteren interessanten Aspekt, der mehr mit den Neurowissenschaften als mit der Physik zu tun hat: Warum nehmen wir Metalle mit einer neutralen Farbe (wie Silber) als grau wahr, auch wenn sie glänzend sind und daher einfach die Farben ihrer Umgebung widerspiegeln

Eine Antwort ist, dass solche Metalle immer eine gewisse Rauheit aufweisen und daher Licht aus einem Bereich von Winkeln streuen, und diese Strahlen typischerweise einen Bereich von Wellenlängen haben. Das Mischen dieser Wellenlängen neigt dazu, die wahrgenommene Farbe zu entsättigen und in Richtung eines neutralen Tons zu bewegen. Einige einfache Experimente legen jedoch nahe, dass mehr dahinter steckt. Selbst wenn die Oberfläche eine dominante Farbe reflektiert, ist unsere Wahrnehmung der Oberflächenfarbe grau.

Der Grund dafür hängt mit der Art und Weise zusammen, wie das Gehirn Farbinformationen verarbeitet. Farbkonstanz stellt sicher, dass sich unsere Wahrnehmung an die Farbabweichung unter den Umgebungslichtbedingungen anpasst: Wir neigen dazu, die Eigenfarbe eines Objekts und nicht die Farbe des von ihm reflektierten Lichts wahrzunehmen. Das scheinbare Grau von metallischen Oberflächen (sowohl glänzend als auch matt) scheint eine interessante Variante dieses Phänomens zu sein.

Beginnen wir mit dem, was "dieses Ding ist X in Farbe" im Grunde bedeutet:

Sie bemerken, dass Silber hier keine der Farben ist. Silber ist jedoch eine Menge wie Weiß, wie wir gleich sehen werden.

Es gibt einen weiteren Faktor, der als Spiegel- oder diffuse Reflexion bezeichnet wird.

Weiß reflektiert alle Wellenlängen diffus (die reflektierten Strahlen gehen in alle Richtungen). Silber (z. B. ein Spiegel) reflektiert alle Wellenlängen spiegelnd (die reflektierten Strahlen prallen gut ab).

Nun sehen Metalle nicht unbedingt immer wie Spiegel aus - sie sind oft holpriger als diese, daher ist ihre Reflexion a ein bisschen diffus im Gegensatz zu total spiegelnd.

Der Punkt ist jedenfalls, dass "silberne Farbe" bedeutet "reflektiert alle Wellenlängen spiegelnd (mehr oder weniger)".

Warum machen diese Metalle das meiste sichtbare Licht reflektieren? Weil sie viele freie Elektronen haben (das ist auch der Grund, warum sie gute Leiter sind). Wenn Licht (elektromagnetische Strahlung) auf die Oberfläche eines Metalls trifft, wird es von Elektronen absorbiert, die die Metallatome umkreisen, und wieder emittiert, wenn die Elektronen auf eine stabilere Konfiguration zurückfallen. Die Größe der Bandlücken bestimmt, welche Frequenzen absorbiert und emittiert werden.

Ein farbiges Metall wie Gold hat die meisten dieser Eigenschaften, absorbiert jedoch nur wenig Strahlung im grün-blau-violetten Bereich. Was auch immer es reflektiert, es wird ein bisschen grün-blaues Licht entfernt und das Ergebnis sieht (durch Subtraktion) gelblich rot aus.

Ein metallähnliches Blei hat auch die meisten dieser Eigenschaften, absorbiert jedoch etwas mehr davon das gesamte Spektrum, so dass es grau aussieht.

PS Diese Antwort wird von "Ian Pollock, Sci / Phil dilettante" unter quora.com bereitgestellt.

Metallische Bandstruktur ermöglicht die Absorption und Reemission von Licht, wie auf dieser Stelle dargestellt.

Metalle sind gefärbt, da die Absorption und Reemission von Licht von der Wellenlänge abhängt. Gold und Kupfer haben bei kurzen Wellenlängen ein geringes Reflexionsvermögen, und Gelb und Rot werden bevorzugt reflektiert. Silber hat ein gutes Reflexionsvermögen, das sich nicht mit der Wellenlänge ändert, und erscheint daher sehr nahe an Weiß.